柴油摻混燃料噴霧的可視化研究

史　程　王慶新　于　健

(1.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.黑龍江生態(tài)工程職業(yè)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150025)

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柴油摻混燃料噴霧的可視化研究

史程1王慶新1于健2

(1.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.黑龍江生態(tài)工程職業(yè)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150025)

為了探究發(fā)動(dòng)機(jī)燃油的霧化質(zhì)量對可燃混合氣的燃燒和排放的影響，試驗(yàn)搭建了一套高壓共軌噴霧定容測試系統(tǒng)，利用高速攝影技術(shù)對柴油/正丁醇/汽油混合燃料(D70G30、D70B30、B15G15和D100)在噴射壓力為60MPa、環(huán)境背壓為3MPa下的噴霧過程進(jìn)行瞬時(shí)拍攝，分析對比了混合燃料的宏觀噴霧形態(tài)。研究表明：在柴油中摻混少量的汽油或正丁醇會(huì)改善燃油噴射的霧化質(zhì)量，從而可以提高燃料的燃燒效率。

柴油；摻混燃料；正丁醇；噴霧；可視化

隨著全球能源利用的日益增加和傳統(tǒng)化石燃料的日趨枯竭，尋找高效清潔的替代燃料已變得迫在眉睫[1]。研究表明，在發(fā)動(dòng)機(jī)燃料中添加一定比例的含氧生物質(zhì)燃料是改善發(fā)動(dòng)機(jī)排放的有效途徑之一，而且發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性不受任何影響[2]。正丁醇作為一種可再生、可降解的含氧燃料得到越來越多的關(guān)注。Oguzhan Dogan等[3]研究表明，柴油機(jī)燃料中添加正丁醇，可以減少CO的排放。Binbin Yang等[4]發(fā)現(xiàn)燃料中摻混一定比例的正丁醇可以大大降低碳煙的排放。Gerardo Valentino等[5]研究發(fā)現(xiàn)，隨著正丁醇摻混比例的增加，混合燃料中含氧量升高，十六烷值降低，滯燃期延長。此外，汽油這種常見的燃料亦可添加到柴油中用來改善柴油機(jī)的燃燒和排放性能。Yu Chao等[6]研究了增大柴油中汽油的摻混比例能夠有效降低碳煙排放。Su Han Park等[1]在一臺(tái)壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)上對汽油—柴油混合燃料的燃燒特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)添加汽油可以促進(jìn)油氣混合，形成更多均質(zhì)混合氣，從而延長燃料的滯燃期。

上述相關(guān)研究主要集中在發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒特性和排放性能，而對于柴油摻混正丁醇或汽油的噴霧過程研究還較少。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)摻混燃料的噴霧特性，對了解燃油燃燒機(jī)理，優(yōu)化燃燒過程，改善排放特性都有重要的影響?？紤]到這一點(diǎn)，本文通過高壓共軌噴霧定容測試系統(tǒng)對柴油/正丁醇/汽油混合燃料的噴霧圖像的變化規(guī)律進(jìn)行研究，為今后柴油機(jī)燃料最佳配比的探究提供一定的參考和依據(jù)。

1　試驗(yàn)裝置和方法

試驗(yàn)所用燃料以市售0#普通車用柴油為基礎(chǔ)燃料，通過添加不同體積比例的汽油和正丁醇，配置成四種混合燃料(D70G30、D70B30、B15G15和D100)，分別代表混合燃料中含有體積比為30%汽油和70%柴油，30%正丁醇和70%柴油，15%正丁醇、15%汽油和70%柴油，100%柴油。表1為本試驗(yàn)所用燃料的部分物理化學(xué)性質(zhì)參數(shù)。

試驗(yàn)研究中使用的定容燃燒彈—高速攝像系統(tǒng)如圖1所示，其拍攝的圖片為柴油摻混燃料的噴霧過程提供了較為理想的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)臺(tái)架主要由定容燃燒彈、高壓共軌噴油系統(tǒng)、高速攝像系統(tǒng)、同步采集系統(tǒng)等組成。試驗(yàn)中采用自行設(shè)計(jì)的定容燃燒彈。定容燃燒彈是為了研究燃油的噴霧和燃燒而特別設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置，用來模擬內(nèi)燃機(jī)燃燒室內(nèi)真實(shí)環(huán)境，可運(yùn)用高速攝像、紋影及激光熒光測試等手段研究噴霧過程中油束的形態(tài)、濃度，甚至某些特殊成分的空間分布。高壓共軌噴油系統(tǒng)采用Bosch CP2型超高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)，噴油壓力可達(dá)220MPa。試驗(yàn)所用噴油器為Bosch電磁閥式無錐角單孔噴油器，噴孔直徑是0.17mm，油嘴孔長度為0.65mm。噴霧形態(tài)圖像由日本Photron公司生產(chǎn)的FASTCAM-SA7型高速攝像機(jī)進(jìn)行采集。

表1　燃料物理化學(xué)性質(zhì)

試驗(yàn)中先通過注入高壓氮?dú)馐苟ㄈ萑紵龔梼?nèi)環(huán)境背壓穩(wěn)定在3MPa，熱電偶顯示容彈內(nèi)溫度為25℃。操作共軌噴射系統(tǒng)向定容彈中噴油，設(shè)置共軌電機(jī)轉(zhuǎn)速600r/min，兩次噴射時(shí)間間隔為0.1s，噴射壓力取60MPa，噴射脈寬為2.0ms。同時(shí)高速攝像系統(tǒng)采集定容彈中的噴霧圖像，設(shè)置高速相機(jī)圖片分辨率為512×256，拍攝速度為10 000幀/s(相鄰兩張圖片的時(shí)間間隔為0.1ms)。試驗(yàn)拍攝的噴霧圖片通過Matlab軟件中的功能函數(shù)和編寫的程序?qū)D片進(jìn)行圖像背景去除、形態(tài)學(xué)操作等處理。

2　試驗(yàn)結(jié)果與討論

高速攝像系統(tǒng)拍攝的四種燃料不同時(shí)刻的噴霧形態(tài)經(jīng)Matlab軟件處理后的圖像如圖2所示。針對每組試驗(yàn)，從噴嘴出口處開始有油束噴出到噴油器停止噴油截止，一共采集了20張圖片，第一張時(shí)刻為0.1ms，以后每兩張圖片的時(shí)間間隔為0.1ms，到最后一張時(shí)刻為2.0ms。結(jié)合圖2的宏觀噴霧形態(tài)圖像，將混合燃料的噴霧過程分為以下四個(gè)階段：

第一階段(0ms—0.5ms)：燃油剛從噴油器的噴孔噴出，主要發(fā)生初次霧化，混合燃料此時(shí)未得到充分發(fā)展，噴霧貫穿距離與噴霧錐角都還比較小，油霧面積較為密集，噴出噴孔的油量還比較少，主要集中在油嘴處下方的一小段區(qū)域內(nèi)。從噴霧形態(tài)可以看出，主體顏色較深，并且外輪廓明顯，噴射油霧與周圍環(huán)境氣體的卷吸作用十分微弱。

第二階段(0.5ms—1.0ms)：隨著噴射的持續(xù)進(jìn)行，噴射油霧不斷得到補(bǔ)充，油束動(dòng)能和徑向動(dòng)量均較大，噴霧形態(tài)呈現(xiàn)急劇擴(kuò)散的趨勢發(fā)展，噴霧錐角和噴霧貫穿距離都逐漸得到發(fā)展。此時(shí)油束前端處顏色較主體部分略淺，濃度也較中間部分稀薄，霧型前鋒面處有部分燃油液滴與定容彈內(nèi)介質(zhì)發(fā)生相互作用。

第三階段(1.0ms—1.5ms)：在此階段噴霧量達(dá)到最大，噴霧油束體積不斷擴(kuò)大，在向前噴射的過程中與空氣之間的相互運(yùn)動(dòng)變得更加劇烈，二次霧化作用明顯，導(dǎo)致前端面有“分叉”和“塌陷”現(xiàn)象出現(xiàn)，噴霧貫穿距離繼續(xù)增大，部分燃油溫度升高由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，與空氣充分混合。

第四階段(1.5ms—2.0ms)：噴霧形態(tài)繼續(xù)隨時(shí)間向前發(fā)展，噴霧整體呈現(xiàn)梭形形狀，“分叉”和“塌陷”現(xiàn)象在此處有逐漸消失的趨勢，油霧主體不再沿軸線方向發(fā)展，而是向四周運(yùn)動(dòng)，噴霧前期以大體積形態(tài)存在的油束隨著霧化不斷加強(qiáng)而逐漸變淺，油霧在空間更均勻地稀疏分布。

從四種燃料的噴霧過程可以看出，添加了正丁醇的兩種混合燃料的噴霧錐角和油束發(fā)展面積較D100和D70G30的略大；而D70G30的噴霧貫穿距離在四種混合燃料中是最大的，D70B30則低于B15G15，但略大于D100?；旌先剂铣霈F(xiàn)這些差異主要是因?yàn)槿剂系倪\(yùn)動(dòng)粘度、密度、表面張力等物理化學(xué)性質(zhì)參數(shù)不同所導(dǎo)致的。混合燃料的運(yùn)動(dòng)粘度越高，其油滴越密集越容易聚合，油滴間的撞擊粘合也就越多，混合燃料的噴霧錐角、油束發(fā)展面積就越小；而表面張力和密度也會(huì)阻止油滴表面的形變，故而也會(huì)減小混合燃料的霧化混合質(zhì)量。

3　結(jié)論

本文主要利用高壓共軌噴霧定容測試系統(tǒng)和高速攝影技術(shù)對柴油/正丁醇/汽油的四種混合燃料(D70G30、D70B30、B15G15和D100)的噴霧過程進(jìn)行研究。得出如下結(jié)論：

(1)在四種混合燃料的噴霧發(fā)展過程中，噴霧貫穿距離均是先快速變大而后增大幅度逐漸減小，最后趨于一個(gè)穩(wěn)定的區(qū)間范圍。

(2)從整個(gè)噴霧發(fā)展過程看，混合燃料的噴霧錐角基本無變化，而且四種燃料的噴霧錐角差別也不大。

(3)添加了汽油和正丁醇的混合燃料均比純柴油的油束發(fā)展面積大，說明在柴油中摻混少量的汽油或正丁醇會(huì)改善燃油噴射的霧化質(zhì)量，從而可以提高燃料的燃燒效率。

[1]Park S H, Youn I M, Lim Y, et al. Influence of the mixture of gasoline and diesel fuels on droplet atomization, combustion, and exhaust emission characteristics in a compression ignition engine[J].Fuel Processing Technology,2013,(106):392—401.

[2]張鵬，劉海峰，陳貝凌，等.摻混含氧燃料的柴油替代物部分預(yù)混火焰中多環(huán)芳香烴的熒光光譜和碳煙濃度[J].物理化學(xué)學(xué)報(bào)，2015，31(1)：32—40.

[3]Dogan O. The influence of n-butanol/diesel fuel blends utilization on a small diesel engine performance and emissions[J].Fuel,2011,(90):2 467—2 472.

[4]Yang B B, Yao M F, Cheng W K, et al. Regulated and unregulated emissions from a compression ignition engine under low temperature combustion fuelled with gasoline and n-butanol/gasoline blends[J].Fuel,2014,(120):163—170.

[5]Valentino G, Corcione F E, Iannuzzi S E, et al. Experimental study on performance and emissions of a high speed diesel engine fuelled with n-butanol diesel blends under premixed low temperature combustion[J].Fuel,2012,(92):295—307.

[6]Yu C, Wang J X, Wang Z, et al. Comparative study on Gasoline Homogeneous Charge Induced Ignition (HCII) by diesel and Gasoline/Diesel Blend Fuels (GDBF) combustion[J].Fuel,2013,(106):470—477.

責(zé)任編輯：張耀華

10.3969/j.issn.1674-6341.2016.04.016

2016-05-13

史程(1989—)，男，黑龍江哈爾濱人，在讀碩士生。研究方向：內(nèi)燃機(jī)噴霧與燃燒的光學(xué)測試。

TK421.4

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1674-6341(2016)04-0035-02